合金熔体的黏滞特性研究

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对液体结构和性质的认识与许多领域的科技进步息息相关,也越来越引起凝聚态物理、材料学、生命科学、冶金及化学等领域的共同关注。作为结构敏感物理量之一,合金熔体的黏度与其结构紧密联系。本文将利用高温熔体黏度仪测量几十种合金熔体的黏度,研究这些合金熔体的黏滞特性,为探索合金熔体结构及性质随温度变化的普适性规律做出有益的尝试。运用回转振动式高温熔体黏度仪测量了十几种二元合金熔体的黏度,探讨了合金熔体的黏度随温度的不连续变化,并运用流体动力学模型和流团扩散的布朗运动理论研究结构转变及其特征,发现在这些合金熔体中存在不连续结构转变,表征熔体中不连续结构转变特征的参数为(η0,ε,df)。合金熔体中的不连续结构转变具有以下特征:第一,黏度测试结果表明,合金熔体中的结构转变是可逆的,包括结构转变点Tt、η0和ε在升温和降温过程中基本上是一致的;第二,是非连续的结构转变,并伴随着流团的两种突变形式:微观热收缩和微观热膨胀。同时给出了相对完整的Sn-Bi二元合金熔体结构转变图。运用回转振动式高温熔体黏度仪测量了十一种多元合金熔体的黏度,发现在这些多元合金熔体中存在着与二元合金熔体类似的非连续的结构转变。即:黏度的Arrhenius图由一些间断的直线构成,对于每条直线温区,黏度服从Arrhenius定律:η=η0eε/RT,其中的η0、ε在同一直线温区内为与温度无关、但与熔体性质相关的常数,这种非连续结构转变的特征可以用参数(η0,ε,df)进行表征。并根据实验结果及分析,给出了合金熔体中三个温区的概念模型:模糊温区:T>Tx,(Tx—模糊温区与Arrhenius温区的交界点温度),当温度高于Tx时,熔体内部原子热运动剧烈,以致于该温区内黏度数据点上下跳动,这种跳动可能是由于材料物理性质的变化引起的,被认为是模糊的现象,故称为“模糊温区”;Arrhenius温区:Tx--Tl,(Tl—液相线温度),Arrhenius温区又可分为两种情况,第一,在该温区内,合金熔体的黏度随温度的变化呈指数规律,符合Arrhenius定律,第二,在该温区内,合金熔体的黏度-温度关系图线由一些间断的直线构成,在每个间断的直线温区内,熔体黏度随温度的变化呈指数规律,符合Arrhenius定律;过冷区:T<Tl,熔体冷却到液相线以下,进入过冷区。本文选择了对工业及对新型材料合成有参考价值的Al-Mg合金为对象开展了其黏度与成分及温度关系的测量,并结合其液态结构,从微集团的形成与变化的角度对黏度值的变化进行了讨论。发现黏度随着含镁量的增加而增加。当镁含量低于10%时,黏度的增加是波动的、不明显的。当镁含量达到10%时,黏度突然增加。并且,与流动单元相关的活化能的变化与黏度的变化是一致的。运用二元合金熔体黏度模型分别对Bi-Sb合金、Sn-Bi合金系统的黏度进行了计算,并将其与实验值进行了比较。发现对于Sn-Bi合金系统,根据Iida-Ueda-Morita模型、Kozlov模型和Kaptay模型计算得出的黏度数据与其实验数据在数值上吻合得比较好,但根据模型所计算的超额黏度的符号与实验测得的超额黏度的符号是相反的,这也从另一个方面说明了Sn-Bi合金是一种比较特殊的共晶合金;而对于Bi-Sb合金,则用Iida-Ueda-Morita模型和Kozlov模型计算得出的理论数据与实验数据吻合得比较好。从各种模型的计算结果来看,黏度不能够仅仅用热力学性质阐明,原子尺寸、组元质量、原子间相互作用、键型、电负性等都是重要的影响因素。本文尝试用简单的等式ηalloySbxSbBixBialloySbBi,xSb,x(Bi)分别为锑铋合金的黏度、组元锑、铋的黏度和组元锑、铋的摩尔分数)对二元匀晶铋锑合金体系的黏度进行了计算,并将之与实验数值进行比较,结果吻合得很好,说明可以用上述简单的等式进行Sb-Bi合金体系黏度的计算。
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